Поверхностное натяжение материала

При печати на полимерных материалах очень часто возникает проблема плохой адгезии краски к материалу. Причиной этого в основном является тот факт, что многие полимеры по своей природе содержат неполярные вещества. И у молекул краски почти нет возможности вступить в соединение с молекулами поверхности полимера. К тому же поверхности технического материала  зачастую содержат примеси, что обусловлено производственным процессом или добавлением присадки, которая может накапливаться на поверхности.

Для хорошего захвата краски материалом принципиально важны два условия. Краска должна увлажнить поверхность полимерного материала, чтобы обеспечить хороший контакт между жидкостью и поверхностью. Это является предпосылкой для второго условия, а именно для создания (химического) соединения красочных молекул с молекулами поверхности материала.  Для этого краска по химическому составу должна подходить материалу поверхности.

Тем не менее, чтобы достичь требуемого качества продукции, поверхность  полотна для печати должна быть обработана, чтобы возникла необходимая гидрофильность или зацепление печатной краски. Для этих целей  применяются физические методы, такие как  коронный разряд, плазма низкого давления, фторирование или обработка пламенем. Преимущества данных методик состоят в легкости применения, уменьшенных производственных затратах и в уменьшении количества брака продукции, как, например, при химической предварительной обработке.

Принцип физической обработки весьма прост.  На обрабатываемую поверхность поступает плазма, которая возникает от электрического разряда или пламени. Таким образом модифицируется поверхность. Это происходит благодаря введению кислорода в материал поверхности полотна. Образуются полярные молекулы, которые повышают натяжение поверхности. Длинные цепочки молекул полимеров разрушаются, что способствует лучшему соединению молекул красочного раствора. Свойства полимерного материала  сами по себе остаются без изменений, так как модификация поверхности  затрагивает лишь небольшой верхний (атомный) слой. Дальнейшее воздействие предварительной обработки заключается в придании шероховатости поверхности, видимой только в микроскоп, что приводит к увеличению поверхности.

В Таблице 1 приведены основные значения поверхностного натяжения различных материалов. Эти данные были получены экспериментальным  путем измерения на необработанном материале. Выявление и проверка данного свойства преследует вполне практические цели, так как часто обнаруживаются сильно заниженные значения;  что является явным признаком наличия инородных веществ на поверхности полотна, которые оказывают отрицательное влияние на дальнейшую обработку.

Технологи на производствах часто обсуждают вопрос необходимого для хорошего результата печати значения натяжения поверхности. Существуют различные рекомендации практикующих специалистов работающих с разными красочными составами и на разных материалах.

В принципе, высокое натяжение поверхности не гарантирует хорошее закрепление красок, хорошее увлажнение краской материала, обусловленное высоким натяжением поверхности, тем не менее  способствует равномерному и гладкому распределению печатной краски (клея), таким образом молекулам предоставлена хорошая возможность вступить в реакцию с молекулами поверхности. Далее для осуществления необходимых реакций  решающее значение имеют механизмы химических процессов, для положительного результата которых создаются необходимые предпосылки благодаря предварительной обработке поверхности материала. Исходя из опыта, можно точно сказать — чем лучше предварительная обработка поверхности полотна, тем лучше зацепление красок.

Результат такой обработки можно показать путем измерения натяжения поверхности, которое проводится в форме измерения краевого угла или упрощенно при помощи так называемых тестовых чернил или маркеров. Но, самые точные результаты можно определить только после теста на способность зацепления.

Ниже рассмотрим основные методы проверки предварительной обработки  материала.

1. Методы тестирования

1. проверка тестовыми чернилами или маркерами
2. проверка через определение краевого угла
3. проверка клейкой лентой
4. спектрометрический метод измерений
5. фрикционное измерение
6. метод истирания

Из всех перечисленных способов проверки лишь первые три являются наиболее известными и употребительными.

1. Тестовые чернила

При помощи тестовых чернил  можно выяснить натяжение полотна материала.

При этом тестовые чернила с известным натяжением поверхности наносятся на материал, например, при помощи маленькой кисточки или специальным маркером.  Если чернила сразу же собираются в каплю, то натяжение поверхности материала ниже, чем у чернил.  Если чернила остаются на месте по меньшей мере 2 с или тут же расплываются, то значит натяжение поверхности материала соответствует натяжению поверхности чернил или даже превышает ее.

Как уже было сказано, повышение натяжение поверхности и вместе с тем гидрофильности не обязательно влияет на улучшение зацепления краски,  в большинстве случаев – это все-таки случай.  Доказательство повышения натяжения поверхности на определенное значение можно рассматривать прежде всего как подтверждение предварительной обработки и вместе с тем как индикатор улучшения зацепления покрытия.

Если в рамках проверки зацепления покрытия устанавливается, что  при определенном натяжении поверхности (например, выше чем 38 мН/м) достигается хорошее зацепление краски, то перепроверка натяжения поверхности после предварительной обработки и перед дальнейшей обработкой может также рассматриваться как критерий качества.

Данные параметры чернил представлены в основном с точностью до +/- 1 мН/м. Чернила изготавливаются в диапазоне от 18 до 100 мН/м. Но, в основном, диапазона значений от 30 до 56 мН/м достаточно для проверки.

Метод проверки посредством тестовых чернил имеет преимущество в простоте использования при достаточной точности, таким образом также возможно проведение выборочной проверки напрямую во время производственного процесса. И этот метод пользуется у технологов максимальной популярностью.

b.Определение краевого угла

Данная проверка проводится на оптической скамье, которая состоит из источника света, линзы и проекционного экрана для капли жидкости, которую помещают на испытательный материал.  Краевой угол между площадью смачивания и касательной, которая проходит над каплей, и является ключевой величиной для натяжения поверхности субстрата (рис. 2).

c.Проверка липкой лентой (скотч-тест).

Тестирования липкой лентой проводятся намного короче. Это такие тестирования, при помощи которых проверяется закрепление печатного изображения на поверхности материала. При этом определяется, какие части печатного изображения переносятся на липкую ленту, когда ее наклеивают на поверхность и затем резко срывают. Методы проведения скотч теста подробно описаны во многих источниках. Для проведения скотч-теста используют определённую ленту с нужной адгезией. Такой метод проверки, как и первый из описанных методов, является очень популярным на производствах.

2.Обработка высокочастотным коронным разрядом

Коронным разрядом в электротехнике обозначают разряд, который возникает на высоковольтных  проводах. Уже более 60 лет коронный разряд используют для улучшения зацепления покрытия на полимерных поверхностях. Принцип действия, как показано на рис. 3, можно представить в следующей форме:

Высоковольтный главный электрод (большое количество kV) устанавливается на небольшом расстоянии от поверхности обрабатываемого материала, на обратной стороне которого находится заземленный контрэлектрод. В воздушной прослойке  образуется зона разряда, внутри которой преобладает концентрация различных активированных атомов и молекул. Посредством интенсивной бомбардировки электронами на поверхности полимерного материала разрушаются молекулярные цепочки, на местах разрыва которых накапливаются после этого активированные виды, преимущественно радикалы кислорода. Таким образом, в бывшим до этого неполярном материале образуются полярные молекулы, с которыми теперь молекулы краски могут соединиться.

Для образования равномерной высоковольтной плазмы синхронизируется высокое напряжение с высокой частотой (25-50 кГц).

Обрабатывать можно как токопроводящие, так и нетокопроводящие материалы. Для обработки токопроводящего материала электрод, находящийся под высоким напряжением, должен быть изолирован диэлектриком (например, нанесение керамического слоя или наложение силиконовой оболочки), чтобы избежать прямого пробоя электродом материала (короткое замыкание).

Станция обработки коронным разрядом состоит из следующих компонентов:

генератор, высоковольтный трансформатор, главный электрод, контрэлектрод.

Обычно ширина прослойки между электродом и контрэлектродом, как правило, составляет 1-2 мм, в основном коронатор применяется в области относительно плоских поверхностей, какие имеются, например, в области фольги и этикеток.

Предварительная обработка фольги коронным разрядом

Для обработки фольги была разработана отлаженная конструкция станции разряда, которая представлена схематически на рис. 4

Рис. 4 – блок-схема расположения для обработки фольги

Фольга, в основном, проводится через заземленный несущий валик, над которым расположены один или несколько электродов. Если, как обычно, ширина полотна меньше чем рабочая ширина станции, то при использовании непокрытого (неизолированного) электрода контрэлектрод (несущий валик) должен быть изолирован, чтобы избежать коротких замыканий вокруг полотна.

Обработка коронным разрядом формных деталей

Общее

При обработке самых различных формных деталей вполне подойдет изображенная на рис.3 конструкция из электрода и контрэлектрода, в зависимости от величины наносимого печатного изображения кроме того должны быть размещены больше электродов над поверхностью или же один электрод должен перемещаться над поверхностью, чтобы охватить всю площадь, на которую будет наноситься печать.

Обработка поверхности стаканчиков и тюбиков

Для обработки коронным разрядом стаканчиков и тюбиков есть наиболее ходовые конструкции станции коронации, представленные на рис. 5 и 6:

Стаканчики или тюбики насаживаются на вращающийся стержень, который одновременно служит как контрэлектрод, стержень проводит стенку стаканчика/тюбика по всей окружности мимо электрода.

При обработке прямоугольных стаканчиков электрод обычно движется вокруг стаканчика при помощи кулисы, или же используется так называемый электрод-горшок, который полностью охватывает стаканчик.

ОЗОН

При обработке поверхности коронным разрядом выделяется большое количество озона.  Его необходимо устранять(удалять) из рабочего помещения и в соответствии с национальными нормами уменьшать концентрацию озона до кислорода посредством катализатора.

Для этих целей станция коронации обычно помещается в закрытый корпус, из которого озон выдувается вентилятором.

Более подробную информацию о процессах коронирования Вы сможете получить обратившись к нам в офис любым доступным способом. Наши специалисты проконсультируют и предложат Вам лучшее доступное для Вашего технологического процесса решение.

Наша компания работает с производителями из Европы, США, Индии и Китая.